[논문]지표면 영향을 고려한 삼각 전파 반사기의 RCS 분석

신종철; 권순구; 오이석; 김세영; 전병태

doi:10.5515/kjkiees.2012.23.6.723

초록
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위성 SAR(Synthetic Aperture Radar)를 정확하게 보정하기 위해서는 검보정에 사용되는 삼각 전파 반사기(Trihedral Corner Reflector: TCR)의 RCS(Radar Cross Section)를 정확하게 계산해야 한다. 본 연구에서는 TCR이 설치된 지표면이 TCR의 RCS 값에 얼마나 영향을 미치는지를 알아보기 위해서 지표면에서의 반사파와 TCR 모서리에서의 회절파를 이론적으로 계산하여 검보정 사이트의 지표면 상태에 따른 RCS 변화를 분석하였다. 지표면 반사파를 구하기 위해 지표면에 대한 PO 반사 계수를 이용하였으며, PO 반사 계수는 지표면 상태 변수인 거칠기와 유전율에 대한 함수이다. 중심 주파수 9.65 GHz에서 지표면 위에 설치된 $10{\lambda}$ 크기 TCR의 RCS 값은 공기 중의 TCR에 비해 0.46 dB 변화가 발생하였고, 이 변화는 지표면의 상태 및 TCR 크기에 따라 크게는 1.55 dB정도의 차이가 날 수 있다. 지표면 영향에 따른 TCR의 RCS 값은 지표면의 거칠기가 작고 유전율이 클수록 크며, 중심 주파수가 낮고 TCR의 크기가 작을수록 크게 발생하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The radar cross section(RCS) of a trihedral corner reflector(TCR) should be accurately computed when it is used as an external calibration target for a satellite synthetic aperture radar(SAR) calibration campaign. This paper presents the RCS analysis on a trihedral corner reflector which is installe...

The radar cross section(RCS) of a trihedral corner reflector(TCR) should be accurately computed when it is used as an external calibration target for a satellite synthetic aperture radar(SAR) calibration campaign. This paper presents the RCS analysis on a trihedral corner reflector which is installed on a calibration site, using the wave reflection from the rough surface and the wave diffraction from the TCR edges. The results in this paper show quantitatively the effect of the front surface on the RCS of a TCR. The difference of the RCS between a TCR in air and a TCR on a ground surface is computed by including the interaction term which consists of the edge diffraction from the TCR edges and the surface reflection from the front rough surface. The reflection coefficient of a randomly rough surface is a function of the surface roughness and dielectric constant of the surface. The RCS of $10{\lambda}$ size TCR on a ground is 0.46 dB higher than TCR in air at 9.65 GHz, and this can reach at maximum 1.55 dB depending on a surface condition and TCR size. The effect of the front surface on the RCS of a TCR increases, as the surface roughness decreases, the soil moisture increases, and the size of TCR in wavelength decreases.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 TCR이 설치된 지표면이 TCR의 RCS 값에 얼마나 영향을 주는지 알아보기 위해, 지표면에서의 반사파와 TCR 모서리에서의 회절파를 이론적으로 계산한다. 지표면에서의 반사파는 지표면의 거칠기와 유전율의 함수인 PO(Physical Optics) 반사 계수를 이용한다^[4].
본 논문에서는 위성 SAR의 정확한 외부보정을 위한 지표면 반사파와 TCR 모서리 회절 영향 분석 이론식을 정립하였다. 정립된 이론식을 바탕으로 지표면의 상태 입력 변수인 거칠기와 유전율 변화에 따른 영향을 정량적으로 분석하였다.
본 장에서는 이론적으로 구한 지표면 반사파와 TCR 모서리에서의 회절파 성분이 실제 검보정 사이트로서 가능한 지표면에 대해서 지표면의 거칠기와 유전율을 변화에 따라 TCR의 전체 RCS에 얼마나 영향이 주는지 확인한다. 또한, 중심 주파수와 TCR 크기 변화에 따른 지표면에 의한 RCS 변화에 대해서도 분석한다.

제안 방법

그리고 TCR 모서리에서 회절할 때 회절 성분은 GTD(Geometrical Theory of Diffraction)를 이용하여 구한다^[5]. 계산한 값을 이용하여 지표면의 상태 변수인 거칠기와 유전율을 변화시켜가면서 지표면에 의한 TCR의 RCS 영향을 정량적으로 확인하였다. 또한, 입사하는 전계의 중심 주파수와 TCR 크기의 변화에 따른 지표면의 의한 영향을 분석하였다.
계산한 값을 이용하여 지표면의 상태 변수인 거칠기와 유전율을 변화시켜가면서 지표면에 의한 TCR의 RCS 영향을 정량적으로 확인하였다. 또한, 입사하는 전계의 중심 주파수와 TCR 크기의 변화에 따른 지표면의 의한 영향을 분석하였다.
본 장에서는 이론적으로 구한 지표면 반사파와 TCR 모서리에서의 회절파 성분이 실제 검보정 사이트로서 가능한 지표면에 대해서 지표면의 거칠기와 유전율을 변화에 따라 TCR의 전체 RCS에 얼마나 영향이 주는지 확인한다. 또한, 중심 주파수와 TCR 크기 변화에 따른 지표면에 의한 RCS 변화에 대해서도 분석한다.
본 논문에서는 위성 SAR의 정확한 외부보정을 위한 지표면 반사파와 TCR 모서리 회절 영향 분석 이론식을 정립하였다. 정립된 이론식을 바탕으로 지표면의 상태 입력 변수인 거칠기와 유전율 변화에 따른 영향을 정량적으로 분석하였다. 위성 SAR의 검보정 사이트로서, 가능한 지표면에 대해 지표면의 거칠기가 작은 평평한 지표면과 강우에 의해 수분이 많은 지표면에서 지표면과 TCR 모서리 회절 영향이 크게 발생하고, 또한 중심 주파수가 낮고 TCR의 크기가 작을수록 영향이 크게 발생하는 것을 확인하였다.
지표면에서 반사되는 전계를 구하기 위해 PO를 이용한 PO 반사 계수를 적용하였다^[4]. PO 반사 계수는 식 (4)와 같이 나타낼 수 있으며, 일반적인 지표면의 입력 변수인 지표면의 거칠기 ks와 지표면의 유전율에 대한 함수이다.

이론/모형

지표면에서의 반사파는 지표면의 거칠기와 유전율의 함수인 PO(Physical Optics) 반사 계수를 이용한다^[4]. 그리고 TCR 모서리에서 회절할 때 회절 성분은 GTD(Geometrical Theory of Diffraction)를 이용하여 구한다^[5]. 계산한 값을 이용하여 지표면의 상태 변수인 거칠기와 유전율을 변화시켜가면서 지표면에 의한 TCR의 RCS 영향을 정량적으로 확인하였다.
여기서 D_sm과 D_hm은 UTD(Uniform Theory of Diffraction) 회절계수에서 fresnel integral term이 생략된 수평 회절계수와 수직 회절계수로서 식 (6)과 같이 입사 회절계수와 반사 회절계수의 차와 합으로 구할수 있고, 회절계수 계산에 사용된 time convention은 exp(jwt)가 사용되었다^[5],^[6]. 그림 4는 산란 행렬과 회절계수를 구하기 위한 파라미터를 정의하는 구조를 보여준다.
본 논문에서는 TCR이 설치된 지표면이 TCR의 RCS 값에 얼마나 영향을 주는지 알아보기 위해, 지표면에서의 반사파와 TCR 모서리에서의 회절파를 이론적으로 계산한다. 지표면에서의 반사파는 지표면의 거칠기와 유전율의 함수인 PO(Physical Optics) 반사 계수를 이용한다^[4]. 그리고 TCR 모서리에서 회절할 때 회절 성분은 GTD(Geometrical Theory of Diffraction)를 이용하여 구한다^[5].

성능/효과

그림 7(b) 결과와 유사하게 VV-편파에서는 지표면에 의한 RCS 영향이 거의 없음을 확인할 수 있다. HH-편파에서는 유전율이 증가할수록 9.65 GHz에서 0.16～0.61 dB까지 영향이 증가하고 5.3 GHz에서는 0.3～1.05 dB까지 영향이 커지는 것을 확인할 수 있다. 위 결과에서 볼 수 있듯이 유전율이 높은 지표면일수록 지표면에서 전방 산란되는 성분이 많아져 지표면과 TCR 모서리에서 회절되는 성분이 많아지고, 이로 인해 지표면에 의한 RCS 영향이 크게 발생하는 것을 확인할 수 있다.
65 GHz와 10 λ 크기 TCR에서의 RCS 패턴 결과이다. 거칠기가 0.1인 평탄한 지표면 위의 TCR의 RCS 값은 16.64 dBsm으로 공기 중의 RCS 값 16.13 dBsm보다 약 0.51 dB 높은 값은 가지며, 거칠기가 1.0인 거친 지표면에서는 약 0.27 dB 높은 값을 가지는 것을 확인할 수 있다.
거칠기가 작고 유전율이 높은 지표면 상태에서 TCR의 크기에 따라 0.17～1.55 dB까지 지표면에 의한 영향이 발생하는 것을 알 수 있고, 지표면 상태에 따라서 지표면에 의한 10 λ TCR의 RCS 변화는 0.16～0.51 dB 정도 발생하는 것을 확인할 수 있다.
05 dB까지 영향이 커지는 것을 확인할 수 있다. 위 결과에서 볼 수 있듯이 유전율이 높은 지표면일수록 지표면에서 전방 산란되는 성분이 많아져 지표면과 TCR 모서리에서 회절되는 성분이 많아지고, 이로 인해 지표면에 의한 RCS 영향이 크게 발생하는 것을 확인할 수 있다.
정립된 이론식을 바탕으로 지표면의 상태 입력 변수인 거칠기와 유전율 변화에 따른 영향을 정량적으로 분석하였다. 위성 SAR의 검보정 사이트로서, 가능한 지표면에 대해 지표면의 거칠기가 작은 평평한 지표면과 강우에 의해 수분이 많은 지표면에서 지표면과 TCR 모서리 회절 영향이 크게 발생하고, 또한 중심 주파수가 낮고 TCR의 크기가 작을수록 영향이 크게 발생하는 것을 확인하였다. 지표면에 의한 영향은 SAR의 검보정 시 1 dB 이내의 오차 정확도를 고려했을 때 정확도를 높일 수 있는 요인으로 볼 수 있다.
14 dBsm보다 매우 낮은데, 이는 실제로 TCR의 밑면 모서리가 지표면에서 수평으로 위치해 있기 때문에 수직 편파 성분이 수평의 모서리에서 회절되어 산란되는 성분이 작다. 이 결과를 통해 지표면 위에 TCR을 설치할 경우, HH-편파에서 지표면에 의한 성분이 TCR의 전체 RCS 변화에 영향을 주고, VV-편파에서는 지표면에 의한 성분이 TCR의 RCS 변화에 영향을 거의 주지 않는 것을 확인할 수 있다. 또한, phi 방향으로 정면 구간에서 지표면에 의한 영향이 크게 발생한다.
VV-편파에서 지표면에 의한 RCS 변화가 거의 없는 것을 확인할 수 있다. 이는 지표면의 거칠기가 작은 균일한 지표면일수록 전방 산란되는 성분이 많아져 TCR의 모서리와 지표면과의 영향이 크게 발생한다는 사실과 일치함을 확인할 수 있다. 또한 위 결과로부터 동일한 크기의 TCR의 경우 중심 주파수가 낮을수록 지표면에 의한 영향이 커지는 것도 확인할 수 있다.

후속연구

TCR을 이용한 위성 SAR의 절대 보정 시 지표면의 거칠기와 수분 함유량을 분석하여 지표면과 TCR 모서리 회절 영향을 계산하면 보정 오차를 줄일 수 있어 보다 정확한 보정 상수를 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 산란 특성이 균일한 지표면에서 SAR 검보정을 실시하는 경우, 지표면과 TCR의 영향을 고려해야 하는 점에서 보정 오차를 최소화할 수 있는 검보정 사이트의 특성을 정립해야 할 필요성이 있다.
일정 기간 사이에 TCR을 이용하여 SAR 영상에서 RCS를 추출하면 각각 다른 RCS 값이 추출되는 경우가 발생하는데, 이는 일정 기간이 지속되면서 지표면의 상태가 달라지고, 달라진 지표면 상태에 따라 지표면에 의한 영향으로 TCR의 RCS 값이 달라지어 차이가 발생할 수 있다. 또한, 바다에서 배의 정확한 RCS를 측정하기 어려운 이유 중 바다에서 파도와 배 사이의 상호작용이 포함되는데, 향후 이 영향을 고려하면 보다 정확한 RCS를 측정할 수 있을 것으로 본다. 지표면과 TCR 사이 상호작용을 확인하기 위해 지표면의 상태 변화 요소인 지표면의 거칠기와 유전율에 따라 모서리에서 회절되는 성분의 영향을 분석하면 정확한 위성 SAR 보정이 가능할 것으로 기대된다.
산란 특성이 균일한 지표면에서 SAR 검보정을 실시하는 경우, 지표면과 TCR의 영향을 고려해야 하는 점에서 보정 오차를 최소화할 수 있는 검보정 사이트의 특성을 정립해야 할 필요성이 있다. 또한, 여기에서 연구하지 못한 여러 다양한 지면 상태와 TCR 상태에 대해서도 향후에 더 연구할 필요가 있다.
또한, 바다에서 배의 정확한 RCS를 측정하기 어려운 이유 중 바다에서 파도와 배 사이의 상호작용이 포함되는데, 향후 이 영향을 고려하면 보다 정확한 RCS를 측정할 수 있을 것으로 본다. 지표면과 TCR 사이 상호작용을 확인하기 위해 지표면의 상태 변화 요소인 지표면의 거칠기와 유전율에 따라 모서리에서 회절되는 성분의 영향을 분석하면 정확한 위성 SAR 보정이 가능할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	TCR과 지표면과의 상호 작용으로 인한 오차 요인에는 무엇이 대표적인가?	TCR과 지표면과의 상호 작용으로 인한 오차 요인은 입사한 전파가 지표면에서 반사되어 TCR의 모서리에서 회절되는 RCS 성분과 TCR의 모서리에서 회절된 후 지표면에서 반사되어 후방 산란하는 RCS 성분이 대표적이다. 일정 기간 사이에 TCR을 이용하여 SAR 영상에서 RCS를 추출하면 각각 다른 RCS 값이 추출되는 경우가 발생하는데, 이는 일정 기간이 지속되면서 지표면의 상태가 달라지고, 달라진 지표면 상태에 따라 지표면에 의한 영향으로 TCR의 RCS 값이 달라지어 차이가 발생할 수 있다.
	삼각 전파 반사기란?	삼각 전파 반사기(TCR)는 위성 SAR(Synthetic Aperture Radar)의 외부 보정에 사용되는 대표적인 보정 목표물이다. SAR 영상에서 TCR의 RCS(Radar Cross Section)를 추출하는데 있어서 여러 가지 에러 요인이 발생하는데, 이러한 오차 요인을 최소화하기 위해 많은 연구가 진행되었다[1].
	바다에서 배의 정확한 RCS 성분을 측정하기 어려운 이유 중 하나는 무엇인가?	일정 기간 사이에 TCR을 이용하여 SAR 영상에서 RCS를 추출하면 각각 다른 RCS 값이 추출되는 경우가 발생하는데, 이는 일정 기간이 지속되면서 지표면의 상태가 달라지고, 달라진 지표면 상태에 따라 지표면에 의한 영향으로 TCR의 RCS 값이 달라지어 차이가 발생할 수 있다. 또한, 바다에서 배의 정확한 RCS를 측정하기 어려운 이유 중 바다에서 파도와 배 사이의 상호작용이 포함되는데, 향후 이 영향을 고려하면 보다 정확한 RCS를 측정할 수 있을 것으로 본다. 지표면과 TCR 사이 상호작용을 확인하기 위해 지표면의 상태 변화 요소인 지표면의 거칠기와 유전율에 따라 모서리에서 회절되는 성분의 영향을 분석하면 정확한 위성 SAR 보정이 가능할 것으로 기대된다.

참고문헌 (6)

K. Sarabandi and T. C. Chiu, "Optimum corner reflectors for calibration of imaging radars", IEEE Trans. Antennas and Propagation, vol. 44, no. 10, pp. 1348- 1361, Oct. 1996.

상세보기
K. Sarabandi, L. E. Pierce, Yisok Oh, M. C. Dobson, F. T. Ulaby, A. Freeman and P. Dubois, "Cross-calibration experiment of JPL AIRSAR and truck-mounted polarimetric scatterometer", IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, vol. 32, no. 5, pp. 975-985, Sep. 1994.

상세보기
권순구, 윤지형, 오이석, "SAR 영상 보정용 삼각 전파 반사기의 정확한 RCS 추출", 한국전자파학회논문지, 21(9), 2010년 9월.

원문보기 상세보기
R. D. De Roo and F. T. Ulaby, "Bistatic specular scattering from rough dielectric surfaces", IEEE Trans. Antennas and Propagation, vol. 42, no. 2, pp. 220-231, Feb. 1994.

상세보기
C. A. Balanis, Advanced Engineering Electromagnetics, John Wiley & Sons, Inc., USA, 1989.
D. A. McNamara, Introduction to the Uniform Geometrical Theory of Diffraction, Artech House, USA, 1990.

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